Language
Aantal keren bekeken: 0 Auteur: Site-editor Publicatietijd: 14-10-2021 Herkomst: Locatie
Depiëzo-elektrische akoestische onderwatertransducer is een onderwaterdetectieapparaat dat zowel als driver als als sensor kan werken. Nauwkeurige voorspelling van de akoestische eigenschappen in een luidruchtige onderwateromgeving is erg belangrijk voor het ontwerp van een robuuste en duurzame transducer. De eindige-elementenmethode is zeer effectief en praktisch voor het analyseren van de verschillende prestaties van de transducer in verschillende omgevingen. Er werd een tweedimensionaal asymmetrisch eindige-elementenmodel van een Tonpilz-type transducer opgesteld, een programma gebaseerd op de eindige-elementenmethode werd ontworpen en er werd dynamische analyse op uitgevoerd, inclusief modale analyse en harmonische responsanalyse, enz., en er werden enkele akoestische kenmerken verkregen. De resultaten van de programmaanalyse en de ANSYS-softwareanalyseresultaten laten een goede overeenkomst zien.
1 Inleiding
Hydro-akoestische transducers spelen een sleutelrol in de hydro-akoestische techniek. In de afgelopen jaren, met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie, de voortdurende ontwikkeling van nieuwe transducermaterialen en de toepassing van nieuwe analysemethoden bij het ontwerp van transducers, zijn er veel nieuwe concepten en nieuwe methoden ontstaan in het onderzoek en ontwerp van transducers. Als een soort slim materiaal worden piëzo-elektrische materialen veel gebruikt in elektromechanische velden, zoals piëzo-elektrische keramische transformatoren en sonartransducers. Depiëzo-elektrische hydrofoontransducer is een onderwaterdetectieapparaat dat kan werken als driver of sensor. Bij de meeste onderwaterdetectietoepassingen laten piëzo-elektrische transducers goede algemene prestaties zien: hoge werkefficiëntie, flexibel ontwerp en hoge kosten. Het nauwkeurig vooraf berekenen van de akoestische parameters in een luidruchtige onderwateromgeving is erg belangrijk voor het ontwerp van een robuuste en duurzame transducer. De eindige elementenmethode (afgekort als FEM) kan op grote schaal worden gebruikt in technische analyses. Het kan de prestaties van de transducer in verschillende omgevingen (zoals in de lucht of in het water) analyseren. er wordt een tweedimensionaal asymmetrisch eindige-elementenmodel van een Tonpilz-type transducer opgesteld, dat modale, onderwater harmonische respons en toeganganalyse kan uitvoeren. De analysetool maakt gebruik van een onderwatersensoranalyseprogramma op basis van de eindige elementenmethode (kortweg USAP). Dit programma is zeer praktisch voor het analyseren van de parameters van de transducer die in het water werkt. Zolang de benodigde invoerbestanden zijn voorbereid en het analysetype is geselecteerd, kan de bijbehorende analyse worden gemaakt.
2 Theoretische analyse
2.1 Beschrijving van de werkomgeving van de transducer in het water
Figuur 1 toont de werkomgeving van de transducer in water. De transducer kan worden weergegeven door een combinatie van elastische en slimme materialen. Rond de transducer is een beperkt watergebied opgenomen en er wordt rekening gehouden met verschillende grenzen en werkomstandigheden. Er wordt een oneindige vloeistofgrens ingesteld aan de buitenste rand van het beperkte watergebied om dit dichter bij de werkelijke werktoestand te brengen. Daarom omvat de betrokken theoretische analyse de koppeling tussen vloeibare en vaste structuur en de koppeling tussen elektriciteit en structuur in piëzo-elektrische materialen.
2.2 Eindige-elementenanalyse van het vloeistof-vastestofkoppelingsveld
De harmonische responsanalyse van een vaste structuur in een vloeibare omgeving moet de interactie tussen de vaste structuur en de vloeistof omvatten. Ervan uitgaande dat de vaste structuur een elastisch lichaam is, komen de gedragskenmerken ervan overeen met de elasticiteitstheorie. Ervan uitgaande dat de vloeistof samendrukbaar is (dat wil zeggen, de dichtheid verandert met drukveranderingen), niet-viskeus (dat wil zeggen, er is geen viskeuze dissipatie) en niet-vloeibaar medium, en de gemiddelde dichtheid en druk uniform blijven in het geanalyseerde stroomgebied, voldoe dan aan de overeenkomstige golfvergelijking. Voor de eindige-elementenanalyse van de vaste structuur houdt deze vergelijking rekening met de drukbelasting van de vloeistof die wordt uitgeoefend op het grensvlak van de vaste structuur op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof. Waar U de knoopverplaatsing is; P is de knoopvloeistofdruk; M is de massamatrix van de structuur; C is de dempingsmatrix van de constructie; K is de stijfheidsmatrix van de constructie; Q is de matrix van het koppelingsgebied op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof; f is de vaste structuur. De krachtvector bovenaan. Voor vloeibare eindige-elementenanalyse, gebaseerd op het variatieprincipe of de gewogen residumethode (dwz de Galerkin-methode), kan de golfvergelijking worden gediscretiseerd door standaard eindige-elementen, en uiteindelijk kan de vloeibare eindige-elementencontrolevergelijking worden verkregen. Deze vergelijking houdt rekening met de continuïteitseisen op het vloeistof-vaste grensvlak en het energieverlies als gevolg van demping. Waarbij E het traagheidsmoment van de vloeistofmatrix is ; A is de dempingsmatrix van de vloeistof; H is de stijfheidsmatrix van de vloeistof; ρ is de dichtheid van de vloeistof; de index T rechtsboven is de getransponeerde van de matrix. Vergelijkingen (1) en (2) geven de vloeistof-vaste stof koppelingsvergelijkingen, die als volgt kunnen worden gecombineerd: f1 is de structurele krachtvector die inwerkt op het vloeistof-vaste grensvlak; f2 wordt veroorzaakt door het initiële golfkrachtveld (golfkracht). De krachtvector werkt op het vloeistof-vaste grensvlak. Omdat de verplaatsing kan worden beschouwd als de gradiënt van het snelheidspotentieel, kan een andere uitdrukkingsvorm van de vloeistof-vaste eindige elementenkoppelingsvergelijking die overeenkomt met vergelijking (3) worden verkregen via vergelijking (4).
2.3 Eindige-elementenanalyse van het koppelingsveld van de elektrische structuur
Piëzo-elektrische hydro-akoestische transducers maken gebruik van piëzo-elektrische materialen, dus het is belangrijk om te begrijpen hoe het werkt. Gebaseerd op de quasi-statische aanname, dat wil zeggen dat het elektrische veld in evenwicht moet zijn met het elastische verplaatsingsveld, kan de lineaire constitutieve vergelijking voor piëzo-elektrische materialen worden verkregen. T is het spanningsveld; D is de elektrische verplaatsing; S is het spanningsveld; EV is het elektrische veld; e is de drukconstantematrix voor elektrische koppeling; εS is de diëlektrische constantematrix; cE is de elastische stijfheidsmatrix van het piëzo-elektrische materiaal. Is de dempingsmatrix van piëzo-elektrische materialen; KUΦ is de piëzo-elektrische koppelingsmatrix; KΦΦ is de diëlektrische stijfheidsmatrix; F is de totaal uitgeoefende krachtvector; G is de totale toegepaste toeslag.
3 Eindige-elementenmodellering en -analyse
3.1 Eindige-elementenmodel van een transducer van het Tonpilz-type
Figuur 2 toont het fysieke schematische diagram van de Tonpilz-transducer, die uit vier delen bestaat: kop, staart, spanbout en piëzo-elektrische keramiek. Twee stukken piëzo-elektrisch keramiek zijn tussen de kop en de staart ingeklemd, en in het midden is een spanbout geplaatst om nauw contact tussen de verschillende onderdelen te garanderen. De transducerkop is cilindrisch en heeft dus een cirkelvormig stralingsoppervlak. Studies hebben aangetoond dat de geometrische parameters van elk onderdeel van de transducer een directe invloed hebben op de mechanische kwaliteitsfactoren, die met sommige methoden kunnen worden geoptimaliseerd. De gedetailleerde afmetingen en specifieke materiaalparameters van elk onderdeel van de transducer in dit artikel worden afzonderlijk weergegeven.
Tabel 1 en Tabel 2. Figuur 3 toont het tweedimensionale asymmetrische eindige-elementenmodel en de randvoorwaarden van de Tonpilz-transducer. Het model is opgesteld op het XY-vlak en de symmetrie-as bevindt zich langs de X-as. Het eindige-elementenmodel gebruikt vierhoekige asymmetrische elementen met vier knooppunten voor meshing, inclusief 193 elementen en 240 knooppunten. De twee piëzo-elektrische onderwaterakoestiek wordt in tegengestelde polariteiten geplaatst en de polarisatierichting ligt in de lengterichting van de transducer, wat de responsprestaties van de transducer kan verbeteren. Drie elektroden worden op het contactoppervlak geplaatst dat verband houdt met piëzo-elektrische keramiek voor excitatie of meting. De Y-richting beperkt het buitenste cilindrische oppervlak van de kop, en de X-richting beperkt het perifere eindoppervlak van de kop dichtbij het piëzo-elektrische keramiek maar niet in contact met de elektrode. Deze beperking weerspiegelt de overweging van de feitelijke randvoorwaarden van de transducer die voor het hoofd is bevestigd. De krachtrichting van de transducer is de X-richting. Als het werkt, trilt het in deze richting.
3.2 Modale analyse van Tonpilz-transducer
Tabel 3 geeft een overzicht van de eerste vijf natuurlijke frequenties die zijn verkregen uit de modale analyse van de Tonpilz-transducer in kortsluitingstoestand, en vergelijkt de analyseresultaten van USAP en ANSYS. Figuur 4 toont de vergelijking van de eerste drie natuurlijke frequentiemodi. Het is duidelijk dat de analyseresultaten van USAP en ANSYS goed met elkaar overeenkomen.
3.3 Harmonische responsanalyse van Tonpilz-type transducer in water
Figuur 5 toont het tweedimensionale asymmetrische model van de Tonpilz-transducer in water, dat ook wordt gedeeld door vierhoekige asymmetrische elementen met 4 knooppunten, met 383 elementen en 444 knooppunten. De specifieke structuur en randvoorwaarden van de Tonpilz-transducer zijn dezelfde als die weergegeven in figuur 3. In het model in figuur 5 staat de kop van de Tonpilz-transducer in contact met de voorkant van de spanbout en water. Bij het uitvoeren van harmonische responsanalyse wordt een sinusoïdale spanning met een amplitude van 1V ingesteld op de middelste elektrode, en de andere twee elektroden hebben een spanning van 0V. Het frequentiebereik van de analyse is ingesteld op 10.000 Hz ~ 50.000 Hz. Via de harmonische responsanalyse zendt de transducer van het Tonpilz-type een spanningsrespons uit (afgekort TVR) en resulteert de drukanalyse in water zoals weergegeven in figuur 6. Knooppunt 419 wordt geselecteerd als het te analyseren rekenpunt. Analyseer Figuur 6 om te krijgen
De resonantiefrequentie van de eerste orde ligt rond 19045 Hz. Bij deze frequentie worden de drukverdeling in het water en de vervorming van de Tonpilz-transducer weergegeven in de figuur.
Toegangsanalyse van transducer van het Tonpilz-type in water
Toegang of impedantie is ook een belangrijke karakteristieke parameter van de transducer. Het is een functie van de mechanische en akoestische eigenschappen van de transducer en is een effectieve methode voor het analyseren en bestuderen van de prestaties van de transducer. Na analyse is de toegang hier een complex getal, uitgedrukt in de volgende vorm: Stel tijdens de analyse een spanning van 1V in op de middelste elektrode en een spanning van 0V op de overige twee elektroden. Na berekening worden de analyseresultaten van de geleiding en susceptantie van de Tonpilz-type transducer in water weergegeven in Figuur 8. Zowel de geleiding als de susceptantie hebben pieken bij de resonantiefrequentie.
4 Conclusie
De eindige elementenmethode is zeer effectief en praktisch voor het analyseren van de akoestische parameters van piëzo-elektrische akoestische transducers . Het axisymmetrische eindige-elementenmodel van de transducer van het Tonpilz-type dat in dit artikel is opgesteld, wordt door het USAP-programma geanalyseerd op dynamiek (inclusief harmonische respons en modaal, enz.). De verkregen resultaten beschrijven redelijkerwijs de akoestische parameters van dit type akoestische onderwatertransducer. Er zijn nog steeds enkele tekortkomingen bij het opstellen en analyseren van het model, die verder moeten worden verbeterd en geperfectioneerd.
